CH707548A2

CH707548A2 - System for measuring a gas mass flow in a portion of a flow path in a turbine.

Info

Publication number: CH707548A2
Application number: CH00072/14A
Authority: CH
Inventors: Sanji Ekanayake; Thomas Charles Billheimer; Douglas Corbin Warwick; Alston Ilford Scipio; Dale J Davis; Jason Nathaniel Cook; Vahid Vaezi
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2013-01-28
Filing date: 2014-01-20
Publication date: 2014-07-31
Also published as: JP6302261B2; US20140208764A1; US9556798B2; DE102014100481A1; CN103968908A; CN103968908B; JP2014145763A

Abstract

Es ist ein System zur Messung eines Gasmassenstroms in einem Abschnitt eines Strömungswegs in einer Turbine geschaffen. Das System enthält eine Massenstromsensoranordnung, die mehrere Hitzdraht-Massenstromsensoren aufweist, wobei die Massenstromsensoranordnung in dem Abschnitt des Strömungswegs an einer Stelle angeordnet ist, an der das Strömungsprofil gemessen werden soll. Das System enthält ferner eine Steuereinrichtung, die Signale von den mehreren Hitzdraht-Massenstromsensoren in Massenstrommesswerte umwandelt.A system is provided for measuring a gas mass flow in a portion of a flow path in a turbine. The system includes a mass flow sensor assembly having a plurality of hot wire mass flow sensors, wherein the mass flow sensor assembly is disposed in the portion of the flow path at a location where the airfoil is to be measured. The system further includes a controller that converts signals from the plurality of hot wire mass flow sensors into mass flow readings.

Description

Technisches Gebiet der ErfindungTechnical field of the invention

[0001] Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft allgemein Instrumente für Turbinen und insbesondere Strömungssensoren zur Messung eines Strömungsprofils in einem Strömungsweg einer Turbine. The subject matter disclosed herein generally relates to instruments for turbines, and more particularly to flow sensors for measuring an airfoil in a turbine flowpath.

Hintergrund zu der ErfindungBackground to the invention

[0002] Steuersysteme für moderne Turbinen messen interne Bedingungen an verschiedenen Positionen innerhalb der Luft- und der Gasströmungswege durch die Turbine. Luftdruck- und Temperaturmessungen können unter Verwendung von Pitotrohren, Thermoelementen und sonstigen Vorrichtungen vorgenommen werden, die innerhalb des Verdichters oder anderswo positioniert werden. Wenn eine geeignete Apparatur fehlt, können die Sensoren in den Verdichter oder eine andere Stelle auf Rechen eingeschoben werden. Die Rechen werden im Allgemeinen an einer maschinell bearbeiteten Oberfläche innerhalb des Verdichters oder anderswo montiert. Control systems for modern turbines measure internal conditions at various positions within the air and gas flow paths through the turbine. Air pressure and temperature measurements may be made using pitot tubes, thermocouples, and other devices positioned within the compressor or elsewhere. If a suitable apparatus is missing, the sensors can be inserted into the compressor or another location on rakes. The rakes are generally mounted on a machined surface within the compactor or elsewhere.

[0003] Derzeit werden Volumenstrommessungen am Verdichtereinlass unter Verwendung des statischen Drucks gemeinsam mit Differenzdruckmessungen in dem trompetenförmigen Einlass der Turbine bei kontinuierlichem Betrieb vorgenommen. Eine Massenstromberechnung für den Verdichtereinlass aus einer Volumenstrommessung erfordert zusätzlich die Einlassluftdichte, die aus kombinierten Messungen der Einlasslufttemperatur und der relativen Feuchtigkeit abgeleitet wird. Dieses Verfahren funktioniert einigermassen gut bei Volllast, wenn der Luftdurchsatz hoch und ziemlich stabil ist, wobei sich jedoch die Genauigkeit dieser Methode verringert, wenn der Luftdurchsatz reduziert wird. Es ist zum Beispiel bekannt, dass unterhalb der vollen Drehzahl bei Nulllast das derzeitige Verfahren zur Messung des Luftdurchflusses ungenau und stark schwankend ist. Ausserdem weist jede Messart eine zugehörige Messunsicherheit auf, die zu einer möglicherweise höheren Unsicherheit als eine einzige Messung führt. Aufgrund dieser starken Schwankungen ist es schwierig, ein genaues Verständnis der Verdichterluftströmung zu erhalten, und deshalb stellt die Verwendung der Verdichtereinlassluftströmung für eine Turbinensteuerung Steuerungs- und Diagnostikprobleme dar. Currently, volumetric flow measurements are made at the compressor inlet using static pressure along with differential pressure measurements in the turbine's trumpet-shaped inlet during continuous operation. In addition, a mass flow calculation for the compressor inlet from a volumetric flow measurement requires intake air density derived from combined measurements of intake air temperature and relative humidity. This method works reasonably well at full load when the air flow is high and fairly stable, but the accuracy of this method decreases as the air flow rate is reduced. For example, it is known that below full speed at zero load, the current method of measuring airflow is inaccurate and highly fluctuating. In addition, each type of measurement has an associated measurement uncertainty leading to potentially greater uncertainty than a single measurement. Because of these large variations, it is difficult to get a precise understanding of the compressor airflow, and therefore the use of the compressor inlet airflow for turbine control presents control and diagnostic problems.

[0004] Derzeit werden Abgasgeschwindigkeitsprofile unter Verwendung von Abgastemperatur- und Gesamtdruckrechen gemessen, die den Abgaskanal durchqueren. Diese Messungen werden anschliessend dazu verwendet, das Abgasgeschwindigkeitsprofil unter Verwendung physikbasierter Gleichungen zu berechnen. Dieses Verfahren funktioniert ziemlich gut für Testvalidierungszwecke und wird derzeit für die Validierung von aerodynamischen Turbinenkonstruktionsänderungen angewandt, die das Abgasströmungsgeschwindigkeitsprofil beeinflussen. Jedoch erfordert dieses Verfahren den Einbau von zwei gesonderten Sätzen von Rechen, was die Wahrscheinlichkeit eines Instrumentenausfalls während des Tests erhöht. Ausserdem weist jede Messart eine zugehörige Messunsicherheit auf, die zu einer möglicherweise höheren Unsicherheit als eine einzelne Messung führt. Ausser für Validierungstests für den Zweck der Validierung neuer aerodynamischer Turbinenschaufelblattformen ist die Messung der Abgasgeschwindigkeits- und/oder Massenstromprofile derzeit kein Standard in der Industrie. Currently, exhaust gas velocity profiles are measured using exhaust gas temperature and total pressure rakes traversing the exhaust passage. These measurements are then used to calculate the exhaust gas velocity profile using physics-based equations. This method works quite well for test validation purposes and is currently used for the validation of aerodynamic turbine design changes that affect the exhaust flow velocity profile. However, this method requires the incorporation of two separate sets of rakes, which increases the likelihood of instrument failure during the test. In addition, each type of measurement has an associated measurement uncertainty leading to potentially greater uncertainty than a single measurement. Except for validation tests for the purpose of validating new aerodynamic turbine blade forms, the measurement of exhaust gas velocity and / or mass flow profiles is currently not a standard in the industry.

[0005] Verdichterentnahmestrommessungen für nicht modulierte Turbinensysteme werden gewöhnlich durch Messung der Temperatur und des Druckabfalls über einer Messblende berechnet. Dieses Verfahren funktioniert ziemlich gut bei Volllast, wenn der Luftdurchsatz durch das Entnahmesystem hoch und ziemlich stabil ist. Jedoch verringert sich die Genauigkeit dieses Verfahrens bei geringeren Luftdurchsätzen, für die die Blende überdimensioniert ist, was zu einer erhöhten Ungenauigkeit bei geringen Lasten oder geringen Durchflussniveaus führt. Ausserdem begrenzt die vorhandene feste Blendengrösse in dem Entnahmesystem die Funktionalität eines modulierten Entnahmeströmungssystems, da bei höheren Durchsätzen die einfache Blende die strömungsbegrenzende Komponente in dem Entnahmeströmungssystem darstellt. Compressor bleed current measurements for unmodulated turbine systems are usually calculated by measuring the temperature and pressure drop across a meter orifice. This method works pretty well at full load when the airflow through the sampling system is high and fairly stable. However, the accuracy of this process decreases with lower air flow rates for which the orifice is oversized, resulting in increased inaccuracy at low loads or low flow levels. In addition, the existing fixed orifice size in the sampling system limits the functionality of a modulated sampling flow system because at higher flow rates the single orifice represents the flow limiting component in the sampling flow system.

[0006] Demgemäss besteht ein Bedarf nach Instrumenten für die Messung von Abgasgeschwindigkeitsprofilen, um Mittel zur Validierung und Kalibrierung von aerodynamischen Turbinenmodellen bereitzustellen und um die Mischung der Abgaskühlmechanismen zu validieren. Ausserdem besteht ein Bedarf nach Instrumenten für die Messung von Massenstromprofilen einer Verdichtereinlassströmung einer Turbine, um die Validierung der Mischung aus Einlassaufbereitungsmassnahmen zu ermöglichen. Es besteht ferner ein Bedarf nach Instrumenten zur genauen Messung der Flussdichte durch eine Verdichterentnahmeleitung, um die Fähigkeit zur aktiven Steuerung der Höhe des Verdichterentnahmemassendurchsatzes zu schaffen. Accordingly, there is a need for instruments for measuring exhaust gas velocity profiles to provide means for validating and calibrating turbine aerodynamic models and to validate the mixture of exhaust gas cooling mechanisms. In addition, there is a need for instruments for measuring mass flow profiles of a compressor inlet flow of a turbine to enable validation of the mixture of inlet treatment measures. There is also a need for instruments to accurately measure the flow density through a compressor draw line to provide the ability to actively control the amount of compressor draw mass flow rate.

Kurze Beschreibung der ErfindungBrief description of the invention

[0007] Die Offenbarung stellt ein Verfahren zur genauen Messung von Einlassmassendurchsätzen, Auslassmassendurchsätzen und Entnahmemassendurchsätzen einer Turbine bereit. The disclosure provides a method for accurately measuring inlet mass flow rates, outlet mass flow rates, and turbine discharge mass flow rates.

[0008] Gemäss einer beispielhaften, nicht beschränkenden Ausführungsform betrifft die Erfindung ein System zur Messung eines Gasmassenstroms in einem Teil eines Strömungswegs in einer Turbine. Das System enthält eine Massenstromsensoranordnung, die mehrere Hitzdraht-Massenstromsensoren aufweist. Die Massenstromsensoranordnung ist in dem Abschnitt des Strömungspfades an einer Stelle angeordnet, an der das Strömungsprofil gemessen werden soll. Das System enthält ferner eine Steuereinrichtung, die Signale von den mehreren Hitzdraht-Massenstromsensoren in Massenstrommesswerte umwandelt. According to an exemplary, non-limiting embodiment, the invention relates to a system for measuring a gas mass flow in a part of a flow path in a turbine. The system includes a mass flow sensor assembly that includes a plurality of hot wire mass flow sensors. The mass flow sensor assembly is disposed in the portion of the flow path at a location where the airfoil is to be measured. The system further includes a controller that converts signals from the plurality of hot wire mass flow sensors into mass flow readings.

[0009] Die Massenstromsensoranordnung des Systems zur Messung eines Gasmassenstroms kann einen Rechen aufweisen, wobei die mehreren Hitzdraht-Massenstromsensoren auf dem Rechen verteilt angeordnet sind. The mass flow sensor arrangement of the system for measuring a gas mass flow may have a rake, wherein the plurality of hot wire mass flow sensors are arranged distributed on the rake.

[0010] Die Massenstromsensoranordnung eines beliebigen Systems zur Messung eines Gasmassenstroms, wie vorstehend erwähnt, kann ein Gitter aufweisen, auf dem die mehreren Hitzdraht-Massenstromsensoren angeordnet sind. The mass flow sensor arrangement of any system for measuring a gas mass flow, as mentioned above, may comprise a grid on which the plurality of hot wire mass flow sensors are arranged.

[0011] Das Strömungsprofil eines beliebigen Systems zur Messung eines Gasmassenstroms, wie vorstehend erwähnt, kann ein Massenstromprofil sein. The flow profile of any system for measuring a gas mass flow, as mentioned above, may be a mass flow profile.

[0012] Das Strömungsprofil eines beliebigen Systems zur Messung eines Gasmassenstroms, wie vorstehend erwähnt, kann ein Strömungsgeschwindigkeitsprofil sein. The flow profile of any system for measuring a gas mass flow, as mentioned above, may be a flow velocity profile.

[0013] Der Gasmassenstrom eines beliebigen Systems zur Messung eines Gasmassenstroms, wie vorstehend erwähnt, kann eine Lustströmung aufweisen. The gas mass flow of any system for measuring a gas mass flow, as mentioned above, may have a pleasure flow.

[0014] Der Abschnitt des Strömungswegs eines beliebigen Systems zur Messung eines Gasmassenstroms, wie vorstehend erwähnt, kann einen Abschnitt des Strömungspfades aufweisen, der aus einer Gruppe ausgewählt ist, zu der eine Einlassplenumkammer, eine Auslassleitung und eine Verdichterentnahmeleitung gehören. The portion of the flow path of any gas mass flow measurement system as mentioned above may include a portion of the flow path selected from a group including an inlet plenum chamber, an outlet conduit, and a compressor extraction conduit.

[0015] In einer weiteren Ausführungsform ist ein Verfahren zum Messen eines Strömungsprofils in einem Abschnitt eines Strömungswegs einer Turbine geschaffen. Das Verfahren enthält ferner ein Erfassen einer physikalischen Änderung in mehreren Drähten, die in dem Abschnitt des Strömungsweges der Turbine angeordnet sind, wobei die physikalische Änderung mit einer Strömungseigenschaft an jeder von mehreren Stellen in dem Abschnitt des Strömungsweges in Beziehung steht. Das Verfahren enthält ferner ein Umwandeln von Signalen von den mehreren Drähten in eine Strömungsprofilmessung. In another embodiment, a method for measuring a flow profile in a portion of a flow path of a turbine is provided. The method further includes detecting a physical change in a plurality of wires disposed in the portion of the flow path of the turbine, wherein the physical change is related to a flow characteristic at each of a plurality of locations in the portion of the flow path. The method further includes converting signals from the plurality of wires into a flow profile measurement.

[0016] Die Strömungsprofilmessung des Verfahrens kann ein Strömungsgeschwindigkeitsprofil aufweisen. The flow profile measurement of the method may have a flow velocity profile.

[0017] Die Strömungsprofilmessung eines beliebigen Verfahrens, wie vorstehend erwähnt, kann ein Massenstromprofil aufweisen. The flow profile measurement of any method, as mentioned above, may have a mass flow profile.

[0018] Der Abschnitt des Strömungswegs eines beliebigen Verfahrens, wie vorstehend erwähnt, kann einen Abschnitt des Strömungswegs aufweisen, der aus einer Gruppe ausgewählt ist, zu dem eine Einlassplenumkammer, eine Auslassleitung und eine Verdichterentnahmeleitung gehören. The portion of the flow path of any method as mentioned above may include a portion of the flow path selected from a group including an inlet plenum chamber, an outlet conduit and a compressor extraction conduit.

[0019] Der Strömungsweg eines beliebigen Verfahrens, wie vorstehend erwähnt, kann ein Verdichtereinlassströmungsweg sein, und das Verfahren kann ferner aufweisen: Berechnen eines mittleren Verdichtereinlassmassenstroms aus der Strömungsprofilmessung; Liefern eines Wertes für den mittleren Verdichtereinlassmassenstrom zu einer Steuereinrichtung und Betreiben der Turbine auf der Basis des Wertes für den mittleren Verdichtereinlassmassenstroms. The flow path of any method as mentioned above may be a compressor inlet flow path, and the method may further include: calculating a mean compressor inlet mass flow from the airfoil measurement; Providing a value for the average compressor inlet mass flow to a controller and operating the turbine based on the value for the average compressor inlet mass flow.

[0020] Der Strömungsweg eines beliebigen vorstehend erwähnten Verfahrens kann ein Abgasströmungsweg sein, und das Verfahren kann ferner aufweisen: Berechnen eines mittleren Abgasmassenstroms aus der Strömungsprofilmessung; Berechnen eines Brennstoffmassenstroms; und Betreiben der Turbine auf der Basis des Brennstoffmassenstroms. The flow path of any of the aforementioned methods may be an exhaust flow path, and the method may further include: calculating a mean exhaust mass flow from the airfoil measurement; Calculating a fuel mass flow; and operating the turbine based on the fuel mass flow.

[0021] Der Strömungsweg eines beliebigen vorstehend erwähnten Verfahrens kann eine Verdichterentnahmeleitung sein, und das Verfahren kann ferner aufweisen: Berechnen eines mittleren Verdichterentnahmestroms aus der Strömungsprofilmessung; und Variieren der Verdichterentnahmeströme, um Turbinenbetriebsgrenzen einzuhalten. The flow path of any of the aforementioned methods may be a compressor extraction line, and the method may further include: calculating a mean compressor extraction flow from the airfoil measurement; and varying the compressor bleed currents to meet turbine operating limits.

[0022] In einer weiteren Ausführungsform ist eine Turbine geschaffen. Die Turbine enthält einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine. Der Verdichter, die Brennkammer und die Turbine definieren einen Strömungsweg, und eine Massenstromsensoranordnung ist in dem Strömungsweg angeordnet. Die Massenstromsensoranordnung ist mit mehreren Hitzdraht-Massenstromsensoren versehen. Die Turbine enthält ferner eine Steuereinrichtung, die Signale von den mehreren Hitzdraht-Massenstromsensoren in Strömungsprofilmessungen umwandelt. In a further embodiment, a turbine is provided. The turbine contains a compressor, a combustion chamber and a turbine. The compressor, the combustor, and the turbine define a flow path, and a mass flow sensor assembly is disposed in the flow path. The mass flow sensor assembly is provided with a plurality of hot wire mass flow sensors. The turbine further includes a controller that converts signals from the plurality of hot wire mass flow sensors into airfoil measurements.

[0023] Die Massenstromsensoranordnung der Turbine kann einen Rechen aufweisen, und die mehreren Hitzdraht-Massenstromsensoren sind auf dem Rechen verteilt angeordnet. The turbine mass flow sensor assembly may include a rake, and the plurality of hot wire mass flow sensors are distributed on the rake.

[0024] Die Massenstromsensoranordnung einer beliebigen vorstehend erwähnten Turbine kann ein Gitter mit Hitzdraht-Massenstromsensoren aufweisen. The mass flow sensor assembly of any of the aforementioned turbines may include a grid of hot wire mass flow sensors.

[0025] Der Abschnitt des Strömungswegs einer beliebigen vorstehend erwähnten Turbine kann einen Abschnitt des Strömungswegs aufweisen, der aus einer Gruppe ausgewählt ist, zu der eine Einlassplenumkammer, eine Auslassleitung und eine Verdichterentnahmeleitung gehören. The portion of the flow path of any of the aforementioned turbines may include a portion of the flow path selected from a group including an inlet plenum chamber, an outlet conduit, and a compressor extraction conduit.

[0026] Die Strömungsprofilmessungen einer beliebigen vorstehend erwähnten Turbine können Massenstromprofilmessungen aufweisen. [0026] The airfoil measurements of any of the aforementioned turbines may include mass flow profile measurements.

[0027] Die Strömungsprofilmessungen einer beliebigen vorstehend erwähnten Turbine können Strömungsgeschwindigkeitsprofilmessungen aufweisen. [0027] The airfoil measurements of any of the aforementioned turbines may include flow velocity profile measurements.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

[0028] Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierteren Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen offenkundig, die anhand eines Beispiels die Prinzipien bestimmter Aspekte der Erfindung veranschaulichen. <tb>Fig. 1<SEP>zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Turbinensystems mit Strömungsprofilmesssystemen. <tb>Fig. 2<SEP>zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Strömungsprofilmesssystems. <tb>Fig. 3<SEP>zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Kalibrierungssystems für ein Strömungsprofilmesssystem. <tb>Fig. 4<SEP>zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Strömungsprofilmesssystems für eine Einlassplenumkammer. <tb>Fig. 5<SEP>zeigt ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Betreiben einer Turbine auf der Basis eines Verdichtereinlassströmungsprofils. <tb>Fig. 6<SEP>zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Abgasströmungsprofilmesssystems. <tb>Fig. 7<SEP>zeigt ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Betreiben einer Turbine auf der Basis eines berechneten Brennstoffmassendurchsatzes. <tb>Fig. 8<SEP>zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Entnahmeströmungsprofilmesssystems. <tb>Fig. 9<SEP>zeigt einen Querschnitt durch den Abschnitt A–A in Fig. 9 . <tb>Fig. 10<SEP>zeigt ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Betreiben einer Turbine auf der Basis eines berechneten Entnahmemassenstroms.Further features and advantages of the present invention will become apparent from the following more detailed description of the preferred embodiments, taken in conjunction with the accompanying drawings, illustrating by way of example the principles of certain aspects of the invention. <Tb> FIG. 1 <SEP> shows a schematic representation of an exemplary turbine system with airfoil measurement systems. <Tb> FIG. 2 <SEP> shows a schematic representation of an exemplary airfoil measurement system. <Tb> FIG. 3 <SEP> is a schematic representation of an exemplary calibration system for a flow profiling system. <Tb> FIG. Figure 4 <SEP> shows a schematic representation of one embodiment of an airflow metering system for an inlet plenum chamber. <Tb> FIG. FIG. 5 shows a flowchart of an example method of operating a turbine based on a compressor inlet flow profile. <Tb> FIG. FIG. 6 shows a schematic representation of an embodiment of an exhaust gas flow profile measurement system. <Tb> FIG. 7 shows a flowchart of an example method of operating a turbine based on a calculated fuel mass flow rate. <Tb> FIG. 8 shows a schematic representation of one embodiment of a bleed flow profile measurement system. <Tb> FIG. 9 <SEP> shows a cross section through the section A-A in FIG. 9. <Tb> FIG. 10 shows a flowchart of an exemplary method of operating a turbine based on a calculated bleed mass flow.

Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention

[0029] Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sorgen für die direkte Messung von Strömungsprofilen in einem Turbinensystem. In einer Ausführungsform wird das Strömungsprofil an der Einlassplenumkammer eines Verdichters unter Verwendung eines Rechens mit mehreren Hitzdraht-Massenstromsensoren gemessen. In einer weiteren Ausführungsform kann das Strömungsprofil an der Einlassplenumkammer eines Verdichters mit mehreren radial positionierten Hitzdraht-Massenstromsensoren gemessen werden. Das Strömungsprofil kann verwendet werden, um das Turbinensystem durch Steuerung des Massenstroms des Verdichters zu betreiben. In einer weiteren Ausführungsform kann das Strömungsprofil an dem Abgaseinlass zu einer Turbine mit einem Rechen gemessen werden, der mehrere Hitzdraht-Massenstromsensoren aufweist. Das Abgasströmungsprofil kann verwendet werden, um das Turbinensystem auf der Basis eines berechneten Brennstoffmassendurchsatzes zu betreiben, der aus dem gemessenen Abgasströmungsprofil abgeleitet wird. In einer weiteren Ausführungsform kann das Strömungsprofil an einer Verdichterentnahmeleitung mit einem Gitter mit Hitzdraht-Massenstromsensoren gemessen werden. Das gemessene Strömungsprofil kann verwendet werden, um das Turbinensystem auf der Basis eines berechneten Entnahmemassenstroms zu betreiben. Embodiments of the present invention provide for the direct measurement of airfoils in a turbine system. In one embodiment, the airfoil is measured at the inlet plenum chamber of a compressor using a multi-hot wire mass flow sensor rake. In another embodiment, the airfoil may be measured at the inlet plenum chamber of a compressor having a plurality of radially positioned hot wire mass flow sensors. The airfoil may be used to operate the turbine system by controlling the mass flow of the compressor. In another embodiment, the airfoil at the exhaust inlet may be measured to a turbine having a rake having a plurality of hot wire mass flow sensors. The exhaust flow profile may be used to operate the turbine system based on a calculated fuel mass flow rate derived from the measured exhaust flow profile. In another embodiment, the airfoil may be measured at a compressor draw line with a grid of hot wire mass flow sensors. The measured airfoil may be used to operate the turbine system based on a calculated bleed mass flow.

[0030] Fig. 1 veranschaulicht eine schematische Ansicht eines beispielhaften Turbinensystems 100 gemäss einer Ausführungsform der Erfindung. Das Turbinensystem 100 enthält einen Verdichter 205, eine Brennkammer 210 und eine Turbine 215. Die Turbine 215 ist mit einer Welle 220 gekoppelt, die den Verdichter 205 und die Turbine 215 miteinander verbindet. In der in Fig. 1 veranschaulichten Ausführungsform verdichtet der Verdichter 205 ein Gas und gibt dieses ab, und die Brennkammer 210 empfängt das verdichtete Gas, um einen Verbrennungsprozess zu initiieren. Verbrennungsgase aus der Brennkammer 210 werden durch einen Turbinenleitapparat 230 befördert, um die Turbine 215 anzutreiben, die die Welle 220 dreht, um einen Generator 235 anzutreiben. Der Generator 235 erzeugt wiederum Strom zur Ausgabe zu einem elektrischen Netz 240. In der in Figur veranschaulichten Ausführungsform kann Luft aus dem Verdichter 205 aus einer oder mehreren Stufen, die dem Verdichter 205 zugeordnet sind, über eine Entnahmeleitung 245 entnommen und zu einem oder mehreren Abschnitten der Turbine 215 befördert werden, wo die Luft relativ heisse Gaswegkomponenten, die mit der Turbine 215 im Zusammenhang stehen, kühlen kann. Das Turbinensystem 100 kann ferner eine Einlassplenumkammer 250 enthalten, die mit dem Verdichter 205 gekoppelt ist. Ein Einlassplenumkammer-Strömungsprofilmesssystem 255 kann mit der Einlassplenumkammer 250 gekoppelt sein. Ein Brennkammerabgas-Strömungsprofilmesssystem 260 kann mit dem Turbinenleitapparat 230 gekoppelt sein. Ein Entnahmeströmungsprofilmesssystem 265 kann in der Entnahmeleitung 245 angeordnet sein. Ein Turbinenabgas-Strömungsprofilmesssystem 29 kann in dem Turbinenabgaskanal 270 angeordnet sein. Die Einlassplenumkammer 250, die Entnahmeleitung 245, der Turbinenleitapparat 230 und der Turbinenabgaskanal 270 definieren Strömungswege, durch die Gase mit speziellen Strömungsprofilen befördert werden. FIG. 1 illustrates a schematic view of an exemplary turbine system 100 according to one embodiment of the invention. The turbine system 100 includes a compressor 205, a combustor 210, and a turbine 215. The turbine 215 is coupled to a shaft 220 that interconnects the compressor 205 and the turbine 215. In the embodiment illustrated in FIG. 1, the compressor 205 compresses and discharges a gas, and the combustor 210 receives the compressed gas to initiate a combustion process. Combustion gases from the combustor 210 are conveyed through a turbine nozzle 230 to drive the turbine 215, which rotates the shaft 220 to drive a generator 235. The generator 235 in turn generates power for output to an electrical network 240. In the embodiment illustrated in FIG. 1, air from the compressor 205 may be withdrawn from one or more stages associated with the compressor 205 via a bleed line 245 and into one or more sections turbine 215, where the air may cool relatively hot gas path components associated with the turbine 215. The turbine system 100 may further include an inlet plenum chamber 250 coupled to the compressor 205. An inlet plenum chamber airfoil measuring system 255 may be coupled to the inlet plenum chamber 250. A combustor exhaust airflow sensing system 260 may be coupled to the turbine nozzle 230. A bleed flow profile measurement system 265 may be disposed in the bleed line 245. A turbine exhaust flow profilometry system 29 may be disposed in the turbine exhaust passage 270. The inlet plenum chamber 250, the bleed line 245, the turbine nozzle 230 and the turbine exhaust passage 270 define flow paths through which gases with specific flow profiles are conveyed.

[0031] Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Strömungsprofilmesssystems 275, das verwendet werden kann, um das Massenstromprofil und das Strömungsgeschwindigkeitsprofil in einem Strömungsweg zu messen. Das Strömungsprofilmesssystem 275 kann als ein Einlassplenumkammerströmungsprofilmesssystem 255 (das in dem Verdichtereinlassströmungsweg angeordnet ist), ein Abgasströmungsprofilmesssystem 260 (das in dem Abgas strömungsfähig angeordnet ist) oder ein Entnahmeströmungsprofilmesssystem 265 (das in dem Entnahmeströmungsweg angeordnet ist) implementiert sein. Das Strömungsprofilmesssystem 275 empfängt Eingaben (Massenstromprofilmesswerte oder Strömungsgeschwindigkeitsprofilmesswerte) von mehreren Massenstromsensoren 280. Das Strömungsprofilmesssystem 275 enthält ein Messmodul 285, ein Verarbeitungsmodul 290, ein Kalibrierungsmodul 295 und ein Charakterisierungsmodul 300. Die Funktion des Messmoduls 285 besteht darin, die mehreren Massenstromsensormesswerte zu sammeln. Die Funktion des Verarbeitungsmoduls 290 besteht darin, die gesammelten Massenstrommesswerte zu filtern und aufzubereiten. Die Funktion des Kalibrierungsmoduls besteht darin, Kalibrierungsdaten bereitzustellen, die durch das Charakterisierungsmodul 300 verwendet werden können. Das Charakterisierungsmodul 300 charakterisiert die Daten und liefert eine Strömungsprofilausgabe. Die Eingaben von den mehreren Massenstromsensoren 280 werden zu dem Messmodul 285 übertragen, das wiederum die gemessenen Sensorwerte zu dem Verarbeitungsmodul 290 übermittelt. Das Verarbeitungsmodul 290 verwendet modellbasierte Steuerungen und Signalfilterungstechniken, wie beispielsweise Kaiman-Filter, um einen gemessenen Strom zu verarbeiten. Die modellbasierten Steuerungen werden aus einem Vorhersagemodell des thermodynamischen Ansprechverhaltens der Gasturbine abgeleitet. Eine Methode zur Modellierung besteht darin, einen als Systemidentifikation bekannten numerischen Prozess zu verwenden. Systemidentifikation umfasst eine Akquisition von Daten aus einem System und eine anschliessende numerische Analyse von Reiz- und Antwortdaten, um die Parameter des Systems zu schätzen. Das Verarbeitungsmodul 290 kann Parameteridentifikationstechniken, wie beispielsweise Kaiman-Filterung, verfolgungsbasierte Filterung, Regressionsmapping, neuronales Mapping, inverse Modellierungsmethoden oder eine Kombination von diesen verwenden, um Verschiebungen in den Daten zu identifizieren. Die Filterung kann anhand eines modifizierten Kaiman-Filters, eines erweiterten Kaiman-Filters oder eines anderen Filterungsalgorithmus durchgeführt werden, oder alternativ kann die Filterung durch oder andere Formen von quadratischen (n Eingänge, n Ausgänge) oder nicht-quadratischen (n Eingänge, m Ausgänge) Reglern durchgeführt werden. Das Strömungsprofilmesssystem 275 enthält ferner ein Kalibrierungsmodul 295, das Kalibrierungsdaten zu einem Charakterisierungsmodul 300 liefert, das das Strömungsprofil charakterisiert. FIG. 2 is a schematic representation of one embodiment of a flow profile sensing system 275 that may be used to measure the mass flow profile and the flow velocity profile in a flow path. The airfoil measurement system 275 may be implemented as an inlet plenum chamber flow profile measurement system 255 (located in the compressor inlet flowpath), an exhaust flow profile measurement system 260 (fluidly disposed in the exhaust gas), or a bleed flow profile measurement system 265 (located in the bleed flowpath). The airfoil measurement system 275 receives inputs (mass flow profile measurements or flow velocity profile measurements) from a plurality of mass flow sensors 280. The airfoil measurement system 275 includes a measurement module 285, a processing module 290, a calibration module 295, and a characterization module 300. The function of the measurement module 285 is to collect the plurality of mass flow sensor measurements. The function of the processing module 290 is to filter and process the collected mass flow readings. The function of the calibration module is to provide calibration data that can be used by the characterization module 300. The characterization module 300 characterizes the data and provides a flow profile output. The inputs from the plurality of mass flow sensors 280 are transmitted to the measurement module 285, which in turn communicates the measured sensor values to the processing module 290. Processing module 290 uses model-based controllers and signal filtering techniques, such as Kalman filters, to process a measured stream. The model-based controls are derived from a predictive model of the thermodynamic response of the gas turbine. One method of modeling is to use a numerical process known as system identification. System identification involves acquiring data from a system and then numerically analyzing stimulus and response data to estimate the parameters of the system. The processing module 290 may use parameter identification techniques, such as Kalman filtering, tracing-based filtering, regression mapping, neural mapping, inverse modeling techniques, or a combination of these to identify shifts in the data. The filtering may be performed using a modified Kalman filter, an extended Kalman filter, or another filtering algorithm, or alternatively filtering may be performed by or other forms of quadratic (n inputs, n outputs) or non-square (n inputs, m outputs ) Regulators are performed. The airfoil measurement system 275 further includes a calibration module 295 that provides calibration data to a characterization module 300 that characterizes the airfoil.

[0032] Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Strömungsprofilkalibrierungssystems 310 für ein Strömungsprofilmesssystem 275. Das Strömungsprofilkalibrierungssystem 310 empfängt Eingaben von mehreren Massenstromsensoren 280. Die Eingaben werden in dem Messmodul 285 empfangen, das wiederum die gemessenen Sensorwerte zu dem Verarbeitungsmodul 290 übermittelt. Das Strömungsprofilkalibrierungssystem 310 enthält ferner ein thermodynamisches Modellmodul 315, das eine Eingabe für das Charakterisierungsmodul 300 liefert. Das thermodynamische Modellmodul 315 kann ein adaptives Echtzeit-Maschinensimulationsmodell verwenden, das in Echtzeit mehrere Betriebsparameter des Turbinensystems 100 elektronisch modellieren kann. Die Funktion des thermodynamischen Modellmoduls besteht darin, die thermodynamische Reaktion der Gasturbine vorherzusagen. 3 shows a schematic of one embodiment of a flow profile calibration system 310 for a flow profile measurement system 275. The flow profile calibration system 310 receives inputs from multiple mass flow sensors 280. The inputs are received in the measurement module 285, which in turn communicates the measured sensor values to the processing module 290. The airfoil calibration system 310 further includes a thermodynamic model module 315 that provides an input to the characterization module 300. The thermodynamic model module 315 may use a real-time adaptive machine simulation model that can electronically model multiple operating parameters of the turbine system 100 in real time. The function of the thermodynamic model module is to predict the thermodynamic response of the gas turbine.

[0033] In Fig. 4 ist ein Einlassplenumkammer-Strömungsprofilmesssystem 255 veranschaulicht. Das Einlassplenumkammer-Strömungsprofilmesssystem 255 enthält eine Massenstromsensoranordnung, die einen Rechen 350 und mehrere Massenstromsensoren, wie beispielsweise Hitzdraht-Massenstromsensoren 355, die auf dem Rechen 350 angeordnet sind, aufweist. Der Rechen 350 ist konfiguriert und positioniert, um einen interessierenden Bereich, in diesem Fall die Einlassplenumkammer 250, zu durchsetzen. Um den interessierenden Bereich zu durchsetzen, kann der Rechen 350 die Hitzdraht-Massenstromsensoren 355 in variierenden Abständen entlang des Rechens 350 verteilen. In einer anderen Ausführungsform kann das Strömungsprofil an der Einlassplenumkammer 250 eines Verdichters 205 (wie in Fig. 1 veranschaulicht) mit mehreren Hitzdraht-Massenstromsensoren 355 gemessen werden, die radial positioniert sind. Die Ausgabe der mehreren Hitzdraht-Massenstromsensoren 355 wird zu dem Strömungsprofilmesssystem 275 geliefert, das in einem Turbinensteuersystem 365 integriert sein oder einen Teil von diesem bilden kann. Eine in die Einlassplenumkammer 250 eintretende Strömung (die durch einen Pfeil 370, den Verdichtereinlassstromweg, dargestellt ist) passiert die mehreren Hitzdraht-Massenstromsensoren 355, an denen das Strömungsprofil 375 gemessen wird, und strömt weiter zu dem Verdichter (wie durch einen Pfeil 376 dargestellt). 4, an inlet plenum chamber airfoil measuring system 255 is illustrated. The inlet plenum chamber airfoil measuring system 255 includes a mass flow sensor assembly having a rake 350 and a plurality of mass flow sensors, such as hot wire mass flow sensors 355, disposed on the rake 350. The rake 350 is configured and positioned to pass through an area of interest, in this case the inlet plenum chamber 250. To enforce the region of interest, the rake 350 may distribute the hot wire mass flow sensors 355 at varying intervals along the rake 350. In another embodiment, the airfoil may be measured at the inlet plenum chamber 250 of a compressor 205 (as illustrated in FIG. 1) having a plurality of hot wire mass flow sensors 355 that are radially positioned. The output of the plurality of hot wire mass flow sensors 355 is provided to the airfoil measurement system 275, which may be integrated with or form part of a turbine control system 365. A flow entering the inlet plenum chamber 250 (represented by an arrow 370, the compressor inlet flow path) passes through the plurality of hot wire mass flow sensors 355 at which the airfoil 375 is measured and continues to the compressor (as indicated by an arrow 376). ,

[0034] Das Turbinensteuersystem 365 kann ein herkömmliches Speedtronic™ Mark VI Gasturbinensteuersystem von General Electric sein. Die SpeedTronic-Steuerung überwacht verschiedene Sensoren und andere Instrumente, die einer Turbine zugeordnet sind. Ausser der Steuerung bestimmter Turbinenfunktionen, wie beispielsweise des Brennstoffdurchsatzes, erzeugt die SpeedTronic-Steuereinrichtung Daten anhand ihrer Turbinensensoren und präsentiert diese Daten für eine Anzeige für den Turbinenbetreiber. Die Daten können unter Verwendung einer Software, die Datendiagramme und andere Datendarstellungen erzeugt, wie beispielsweise des Cimplicity™ HMI Softwareproduktes von General Electric, angezeigt werden. The turbine control system 365 may be a General Electric Speedtronic ™ Mark VI gas turbine control system. The SpeedTronic controller monitors various sensors and other instruments associated with a turbine. In addition to controlling certain turbine functions, such as fuel throughput, the SpeedTronic controller generates data from its turbine sensors and presents this data for display to the turbine operator. The data may be displayed using software that generates data diagrams and other data representations, such as General Electric's Cimplicity ™ HMI software product.

[0035] Das Speedtronic™ Steuersystem ist ein Computersystem, das Mikroprozessoren enthält, die Programme ausführen, um den Betrieb der Turbine unter Verwendung von Sensoreingaben und Instruktionen von menschlichen Betreibern zu steuern. Das Steuersystem enthält logische Einheiten, wie beispielsweise Abtasthalte-, Summier- und Differenzeinheiten, die in Software oder durch festverdrahtete Logikschaltkreise implementiert sein können. Die durch die Steuersystemprozessoren erzeugten Befehle veranlassen Aktuatoren an der Turbine, zum Beispiel das Brennstoff Steuersystem einzustellen, das Brennstoff zu dem Brennraum liefert, die Einlassleitschaufeln für den Verdichter einzustellen und andere Steuereinstellungen an der Turbine anzupassen. The Speedtronic ™ control system is a computer system that includes microprocessors that execute programs to control the operation of the turbine using sensor inputs and instructions from human operators. The control system includes logic units, such as sample and hold, summing and differential units, which may be implemented in software or hard-wired logic circuits. The commands generated by the control system processors cause actuators on the turbine to adjust, for example, the fuel control system that supplies fuel to the combustion chamber, adjust the inlet guide vanes for the compressor, and adjust other control settings on the turbine.

[0036] Das Turbinensteuersystem 365 enthält Computerprozessoren und Datenspeicher, die die Sensormesswerte in Daten unter Verwendung verschiedener Algorithmen, die durch die Prozessoren ausgeführt werden, umwandeln. Die Daten, die durch die Algorithmen erzeugt werden, sind für verschiedene Betriebsbedingungen der Turbine kennzeichnend. Die Daten können auf Betreiberanzeigen 22, wie beispielsweise einer Computerworkstation, die mit der Betreiberanzeige elektronisch gekoppelt ist, präsentiert werden. Die Anzeige und/oder die Steuerung kann/können Datendarstellungen und Datendruckausgaben unter Verwendung von Software, wie beispielsweise der Cimplicity™ Datenüberwachungs- und Steuerungs-Softwareanwendung von General Electric, erzeugen. The turbine control system 365 includes computer processors and data memories that convert the sensor readings into data using various algorithms executed by the processors. The data generated by the algorithms are indicative of various operating conditions of the turbine. The data may be presented on operator displays 22, such as a computer workstation that is electronically coupled to the operator display. The display and / or controller may generate data representations and data printouts using software such as General Electric's Cimplicity ™ data monitoring and control software application.

[0037] Die Hitzdraht-Massenstromsensoren 355 bestimmen die in ein System einströmende Luft- oder Gasmasse. Die Funktionsweise der Hitzdraht-Massenstromsensoren 355 ist derjenigen des Hitzdraht-Anemometers (das die Luftgeschwindigkeit bestimmt) ähnlich. Der Massenstromsensor funktioniert durch Erhitzen eines Drahtes, der dem Gasstrom ausgesetzt ist, mit einem elektrischen Strom. Der elektrische Widerstand des Drahtes vergrössert sich, wenn die Drahttemperatur steigt, was den durch den Stromkreis fliessenden elektrischen Strom begrenzt. Wenn Gas an dem Draht vorbeiströmt, kühlt sich der Draht ab, wodurch sein Widerstand verringert wird, was wiederum ermöglicht, dass mehr Strom durch den Stromkreis fliesst. Wenn mehr Strom fliesst, steigt die Temperatur des Drahtes, bis der Widerstand wieder ein Gleichgewicht erreicht. Die Strommenge, die zur Aufrechterhaltung der Drahttemperatur erforderlich ist, ist zu der Luftmasse, die an dem Draht vorbeiströmt, proportional. Wenn die Luftdichte aufgrund einer Druckerhöhung oder eines Temperaturabfalls steigt, jedoch das Luftvolumen konstant bleibt, wird die dichtere Luft mehr Wärme von dem Draht abführen, was einen höheren Massendurchsatz anzeigt. Anders als das Hitzdraht-Anemometer spricht der Hitzdraht-Massenstrommesser unmittelbar auf die Luftdichte an. The hot wire mass flow sensors 355 determine the air or gas mass entering a system. The operation of the hot wire mass flow sensors 355 is similar to that of the hot wire anemometer (which determines the air velocity). The mass flow sensor works by heating a wire exposed to the gas flow with an electric current. The electrical resistance of the wire increases as the wire temperature increases, which limits the electrical current flowing through the circuit. As gas flows past the wire, the wire cools down, reducing its resistance, which in turn allows more current to flow through the circuit. As more current flows, the temperature of the wire increases until the resistor reaches equilibrium again. The amount of current required to maintain the wire temperature is proportional to the mass of air flowing past the wire. As the air density increases due to an increase in pressure or a temperature drop, but the volume of air remains constant, the denser air will dissipate more heat from the wire, indicating a higher mass flow rate. Unlike the hot wire anemometer, the hot wire mass flow meter responds directly to air density.

[0038] Eine alternative Ausführungsform verwendet einen resistiven Metallfilm in Form einer Platte, die parallel zu der Richtung der Strömung ausgerichtet ist. Die der Strömung zugewandte Seite der Platte (d.h. die schmale Seite) ist mit einem wärmeisolierenden Material beschichtet, so dass die resistive Metallplatte des Massenstromsensors nicht durch irgendwelche Ablagerungen an der Vorderkante des Rechens beeinflusst ist. Diese alternative Ausführungsform reduziert die Wirkung des auf dem resistiven Material abgelagerten Materials und folglich die Notwendigkeit einer häufigen Kalibrierung während eines kontinuierlichen Betriebs. An alternative embodiment uses a resistive metal film in the form of a plate oriented parallel to the direction of the flow. The flow-facing side of the plate (i.e., the narrow side) is coated with a heat-insulating material so that the resistive metal plate of the mass-flow sensor is not affected by any deposits on the leading edge of the rake. This alternative embodiment reduces the effect of material deposited on the resistive material and, consequently, the need for frequent calibration during continuous operation.

[0039] Von einem Leistungsmodellierungsstandpunkt aus stellt die Messung von Verdichtereinlassmassendurchsatzprofilen ein Mittel zur Berechnung eines mittleren Verdichtereinlassmassendurchsatzes bereit. Der mittlere Verdichtereinlassmassendurchsatz kann dann zu dem Turbinensteuersystem 365 für die Steuerung verschiedener Turbinenbetriebsmodi übertragen werden. Ein genaues Verständnis der Verdichtereinlassströmung in Verbindung mit einem genauen Verständnis der Turbinenabgasbedingungen können verwendet werden, um über eine modellbasierte Steuerstrategie das gesamte Leistungsniveau einer Turbine einzustellen. Ausserdem kann ein genaues Verständnis der Verdichtereinlassströmung verwendet werden, um genauer das Brennstoff/Luft-Verhältnis für den Verbrennungsprozess innerhalb einer Turbine zu steuern, womit ein Betrieb in enger Nähe zu Verbrennungsgrenzen, wie beispielsweise magerem Verlöschen, ermöglicht wird. From a power modeling point of view, the measurement of compressor inlet mass flow rate profiles provides a means for calculating average compressor inlet mass flow rate. The average compressor inlet mass flow rate may then be communicated to the turbine control system 365 for control of various turbine operating modes. Accurate understanding of compressor inlet flow, along with a detailed understanding of turbine exhaust conditions, can be used to adjust the overall performance level of a turbine through a model-based control strategy. In addition, a close understanding of the compressor inlet flow may be used to more accurately control the fuel / air ratio for the combustion process within a turbine, thus allowing operation in close proximity to combustion limits such as lean burnout.

[0040] Von einem mechanischen Standpunkt aus ergibt die Messung der Verdichtereinlassströmungsgeschwindigkeits- und/oder -massenstromprofile die Möglichkeit, die Mischung der Einlassaufbereitungsmassnahmen zu validieren. Ein Beispiel würde die Injektion der Einlassentnahmewärme für Verdichterpumpenschutz sein. Ein Anordnen des (der) Verdichtereinlassstromrechen (s) stromabwärts von dem Einlassentnahmewärme-Injektionsanschluss ergibt die Möglichkeit, die Menge der injizierten Einlassentnahmewärme relativ zu einer Basis ohne Einlassentnahmewärme zu quantifizieren, zusätzlich zu der Fähigkeit, die Mischung aus der Einlassentnahmewärme innerhalb des Stroms vor der Injektion in den Verdichter zu quantifizieren. Diese Methodik könnte erweitert werden, um die Menge und Mischung der anderen Einlassaufbereitungsmassnahmen, wie beispielsweise Injektion von Wasserdampf zur Leistungssteigerung, d.h. Nassverdichtung etc., zu quantifizieren. From a mechanical point of view, the measurement of compressor inlet flow velocity and / or mass flow profiles provides the ability to validate the mixture of inlet treatment measures. An example would be the injection port intake heat for compressor pump protection. Placing the compressor inlet flow rake (s) downstream of the inlet sampling heat injection port provides the ability to quantify the amount of injected inlet sampling heat relative to a base without inlet sampling heat, in addition to the ability to mix the inlet sampling heat within the stream prior to injection to quantify in the compressor. This methodology could be extended to increase the amount and mix of other inlet treatment measures, such as injection of water vapor to enhance performance, i. Wet compaction etc., to quantify.

[0041] In Fig. 5 ist ein Flussdiagramm für ein Verfahren 420 zum Betreiben eines Turbinensystems auf der Basis eines Verdichtereinlassströmungsprofils veranschaulicht. 5, a flowchart for a method 420 of operating a turbine system based on a compressor inlet flow profile is illustrated.

[0042] Im Schritt 435 misst das Verfahren 420 den Verdichtereinlassmassenluftstrom unter Verwendung der Einlassströmungs-Massenstromsensoren. In step 435, method 420 measures the compressor inlet mass airflow using the inlet flow mass flow sensors.

[0043] Im Schritt 440 liefert das Verfahren 420 einen mittleren Verdichtereinlassmassenstromwert zu einem Turbinensteuersystem 365. In step 440, the method 420 provides a mean compressor inlet mass flow value to a turbine control system 365.

[0044] Im Schritt 445 betreibt das Verfahren 420 das Turbinensystem auf der Basis des berechneten Verdichtereinlassluftstroms. In step 445, method 420 operates the turbine system based on the calculated compressor inlet airflow.

[0045] In Fig. 6 ist ein Abgasströmungsprofilmesssystem 260 veranschaulicht. Ein Rechen 350 mit mehreren Hitzdraht-Massenstromsensoren 355 ist in dem Abgaspfad 460 angeordnet. Abgase (die durch einen Pfeil 465 gekennzeichnet sind) aus der Brennkammer 210 (wie in Fig. 1 veranschaulicht) strömen durch die mehreren Hitzdraht-Massenstromsensoren 355, und die Abgase (die durch einen Pfeil 470 gekennzeichnet sind) strömen weiter zu der (in Fig. 1 veranschaulichten) Turbine 215. Die Ausgabe der mehreren Hitzdraht-Massenstromsensoren 355 wird zu dem Strömungsprofilmesssystem 275 übertragen, das in einem Turbinensteuersystem 365 integriert sein oder einen Teil desselben bilden kann. Die mehreren Hitzdraht-Massenstromsensoren 355 messen das Abgasströmungsprofil 475. Die Messung des Abgasgeschwindigkeits- und/oder -massenstromprofils bietet zahlreiche Vorteile in Bezug auf die mechanische und leistungsorientierte Modellierung. Von einem mechanischen Standpunkt aus stellt die Messung der Abgasgeschwindigkeitsprofile ein Mittel zur Validierung und Kalibrierung der aerodynamischen Turbinenmodelle bereit. Zusätzlich ergibt die Messung der Abgasmassenstromprofile die Möglichkeit, die Mischung der Abgaskühlmechanismen, z.B. der Auslassgehäusegebläsekühlung, zu validieren. Von einem Leistungsmodellierungsstandpunkt aus stellt die Messung des Abgasmassenstromes ein Mittel zur Berechnung des mittleren Abgasmassendurchsatzes bereit. Der mittlere Abgasmassendurchsatz kann dann verwendet werden, um entweder den Verdichtereinlassluftdurchsatz, den Brennstoffdurchsatz und/oder den Gehäusegebläsedurchsatz mit geeignetem Verständnis von zwei der drei Variablen zu isolieren, so dass folglich die gesamte Modellierung des Abgassystems verbessert wird. In dem Fall einer bekannten Verdichtereinlassströmung und -gehäusegebläseströmung könnte der resultierende mittlere Abgasmassendurchsatz verwendet werden, um den in die Turbine eingebrachten Brennstoffmassendurchsatz, einen der am wenigsten genauen Messwerte in dem Turbinensystem, zu berechnen. Dieser berechnete Brennstoffmassendurchsatz könnte anschliessend zu dem Turbinensteuersystem 365 übertragen werden, um entweder die Turbine zu steuern oder den Brennstoffmassenstrom, der von der Brennstoffmassenstrommessvorrichtung empfangen wird, abzustimmen. In Fig. 6, an exhaust gas flow profile measuring system 260 is illustrated. A rake 350 having a plurality of hot wire mass flow sensors 355 is disposed in the exhaust path 460. Exhaust gases (indicated by an arrow 465) from the combustor 210 (as illustrated in FIG. 1) flow through the plurality of hot wire mass flow sensors 355 and the exhaust gases (indicated by an arrow 470) continue to flow to the (in FIG 1). Turbine 215. The output of the plurality of hot wire mass flow sensors 355 is transferred to the airfoil measurement system 275, which may be integrated with or form part of a turbine control system 365. The multiple hot wire mass flow sensors 355 measure the exhaust gas flow profile 475. The measurement of the exhaust gas velocity and / or mass flow profile offers numerous advantages in terms of mechanical and performance oriented modeling. From a mechanical point of view, measurement of the exhaust gas velocity profiles provides a means of validating and calibrating the aerodynamic turbine models. In addition, the measurement of the exhaust gas mass flow profiles gives the possibility of mixing the exhaust gas cooling mechanisms, e.g. outlet housing fan cooling, validate. From a power modeling point of view, the measurement of the exhaust mass flow provides a means for calculating the average exhaust mass flow rate. The average exhaust mass flow rate may then be used to isolate either the compressor inlet air flow rate, the fuel flow rate, and / or the housing blower throughput, with proper understanding of two of the three variables, thus enhancing the overall modeling of the exhaust system. In the case of a known compressor inlet flow and housing blower flow, the resulting average mass exhaust gas mass flow rate could be used to calculate the fuel mass flow rate introduced into the turbine, one of the least accurate measurements in the turbine system. This calculated fuel mass flow rate could then be communicated to the turbine control system 365 to either control the turbine or to tune the fuel mass flow received from the fuel mass flow meter.

[0046] In Figur 7 ist ein Flussdiagramm für ein Verfahren 500 zum Betreiben einer Turbine auf der Basis eines berechneten Brennstoffmassendurchsatzes veranschaulicht. FIG. 7 illustrates a flowchart for a method 500 for operating a turbine based on a calculated fuel mass flow rate.

[0047] Im Schritt 515 berechnet das Verfahren 500 den mittleren Abgasmassendurchsatz. In step 515, the method 500 calculates the average exhaust mass flow rate.

[0048] Im Schritt 520 misst das Verfahren 500 den Hauptgebläsestrom. In step 520, the method 500 measures the main blower stream.

[0049] Im Schritt 525 misst das Verfahren 500 den Verdichtereinlassluft ström. In step 525, the method 500 measures the compressor inlet air flow.

[0050] Im Schritt 530 berechnet das Verfahren 500 den Brennstoffmassenstrom aus dem mittleren Abgasmassenstrom, dem Verdichtereinlassluftstrom und dem Gehäusegebläseluftstrom. In step 530, the method 500 calculates the fuel mass flow from the average exhaust mass flow, the compressor inlet air flow, and the housing blower airflow.

[0051] Im Schritt 535 liefert das Verfahren 500 die Brennstoffmassenstromwerte zu dem Turbinensteuersystem 365. In step 535, the method 500 provides the fuel mass flow values to the turbine control system 365.

[0052] Im Schritt 540 betreibt das Verfahren 500 die Turbine auf der Basis des berechneten Brennstoffmassendurchsatzes. In step 540, the method 500 operates the turbine based on the calculated fuel mass flow rate.

[0053] In Fig. 8 ist ein Entnahmeströmungsprofilmesssystem 265 veranschaulicht, und in Fig. 9 ist ein Querschnitt entlang der Linie A–A in Fig. 8 veranschaulicht. Das Entnahmeströmungsprofilmesssystem 265 enthält ein Hitzdraht-Massenstromsensorgitter 575 und kann ein Thermoelement 560, einen Druckmessaufnehmer 550 und ein Strömungsprofilmesssystem 275 enthalten. Das Entnahmeströmungsprofilmesssystem 265 misst das Strömungsprofil der (durch einen Pfeil 570 gekennzeichneten) Luftströmung, die durch eine Entnahmeleitung 245 strömt. Die (durch den Pfeil 570 gekennzeichnete) Luftströmung wird aus dem Verdichter 205 (wie in Fig. 1 veranschaulicht) entnommen und kann (wie durch einen Pfeil 575 gekennzeichnet) zu der (in Fig. 1 veranschaulichten) Turbine 215 übermittelt werden. Das Strömungsprofilmesssystem 275 kann einen mittleren Verdichterentnahmemassendurchsatz berechnen, der anschliessend zu einem Turbinensteuersystem 365 übertragen werden kann. Der berechnete mittlere Verdichterentnahmemassendurchsatz bietet die Möglichkeit, das Niveau des Verdichterentnahmemassendurchsatzes über eine Dosiereinrichtung, wie beispielsweise ein in dem Verdichterentnahmesystem angeordnetes Ventil, auf vordefinierte Betriebsgrenzen innerhalb der Turbine aktiv zu steuern. Die Fähigkeit, das gesamte Verdichterentnahmesystem in Bezug auf Betriebsgrenzen aktiv zu steuern, ergibt zahlreiche Vorteile in Bezug auf die Leistung und Instandhaltbarkeit für das Verbrennungssystem. Diese Vorteile umfassen eine Kühlflussoptimierung für eine Leistungsfähigkeit; Kühlflussoptimierung für die Einhaltung von Emissionsanforderungen; Kühlflussoptimierung für ein verbessertes Teilelebensdauermanagement; und die Fähigkeit, den Sicherheitsabstand zum Verdichterpumpen oder Strömungsabriss im Verdichter zu kontrollieren. 8, a bleed flow profile measurement system 265 is illustrated and in FIG. 9 a cross-section taken along the line A-A in FIG. 8 is illustrated. The bleed flow profile measurement system 265 includes a hot wire mass flow sensor grid 575 and may include a thermocouple 560, a pressure transducer 550, and a flow profile measurement system 275. The bleed flow profile measurement system 265 measures the airfoil of the airflow (indicated by an arrow 570) flowing through a bleed line 245. The airflow (indicated by the arrow 570) is extracted from the compressor 205 (as illustrated in FIG. 1) and may be communicated (as indicated by an arrow 575) to the turbine 215 (illustrated in FIG. 1). The airfoil measuring system 275 may calculate an average compressor discharge mass flow rate that may subsequently be communicated to a turbine control system 365. The calculated average compressor bleed rate provides the ability to actively control the level of compressor bleed mass flow rate through a metering device, such as a valve located in the compressor bleed system, to predefined operating limits within the turbine. The ability to actively control the entire compressor extraction system in terms of operating limits provides numerous benefits in terms of performance and maintainability for the combustion system. These advantages include cooling flow optimization for performance; Cooling flow optimization for compliance with emission requirements; Cooling flow optimization for improved parts life management; and the ability to control the safety clearance for compressor pumping or stalling in the compressor.

[0054] Fig. 8 ( 10 ) zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren 600 zur Variation der Entnahmeströmungen zur Einhaltung von Turbinenbetriebsgrenzen auf der Basis des Strömungsprofils in einer Entnahmeleitung 245. FIG. 8 (10) shows a flowchart for a method 600 of varying bleed flows to maintain turbine operating limits based on the flow profile in a bleed line 245.

[0055] Im Schritt 615 berechnet das Verfahren 600 einen mittleren Verdichterentnahmestrom. In step 615, method 600 calculates a mean compressor bleed current.

[0056] Im Schritt 620 liefert das Verfahren 600 den berechneten mittleren Verdichterentnahmestromwert zu dem Turbinensteuersystem 365. In step 620, the method 600 provides the calculated average compressor bleed current value to the turbine control system 365.

[0057] Im Schritt 625 variiert das Verfahren 600 die Verdichterentnahmeströme, um Turbinenbetriebsgrenzen einzuhalten. In step 625, the method 600 varies the compressor draw streams to meet turbine operating limits.

[0058] Die hierin verwendete Terminologie dient lediglich dem Zweck der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen und soll nicht für die Erfindung beschränkend sein. Wenn die Definition der Ausdrücke von der üblicherweise verwendeten Bedeutung der Ausdrücke abweicht, beabsichtigt der Anmelder, die hierin angegebenen Definitionen zu verwenden, sofern nicht speziell was anderes angezeigt ist. Die Singularformen «ein», «eine» und «der», «die» und «das» sollen auch die Pluralformen einschliessen, sofern aus dem Zusammenhang nicht was anderes deutlich hervorgeht. Es wird verstanden, dass, obwohl die Begriffe «erste», «zweite», etc. verwendet werden können, um verschiedene Elemente zu beschreiben, diese Elemente durch diese Begriffe nicht beschränkt sein sollten. Diese Begriffe werden lediglich verwendet, um ein Element von einem anderen zu unterscheiden. Der Ausdruck «und/oder» enthält eine beliebige und alle Kombinationen von einem oder mehreren der zugehörigen aufgeführten Gegenstände. Die Formulierungen «gekoppelt an» und «gekoppelt mit» sehen eine direkte oder indirekte Kopplung vor. Bei all den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen müssen die Schritte der Verfahren nicht sequentiell durchgeführt werden. The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. If the definition of the terms differs from the commonly used meaning of the terms, the Applicant intends to use the definitions given herein, unless specifically indicated otherwise. The singular forms 'one', 'one' and 'the', 'the' and 'the' should also include the plural forms, unless the context clearly indicates otherwise. It should be understood that although the terms "first," "second," etc. may be used to describe various elements, these elements should not be limited by these terms. These terms are used only to distinguish one element from another. The term "and / or" includes any and all combinations of one or more of the associated listed items. The phrases "coupled to" and "coupled with" provide for direct or indirect coupling. In all the embodiments described above, the steps of the methods need not be performed sequentially.

[0059] Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschliesslich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und auch um jeden Fachmann auf dem Gebiet zu befähigen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, wozu die Schaffung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und die Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Der patentierbare Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele enthalten, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Umfang der Ansprüche enthalten sein, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente enthalten. This written description uses examples to disclose the invention, including the best mode, and also to enable any person skilled in the art to practice the invention, including the creation and use of any devices or systems and the practice belong to any included method. The patentable scope of the invention is defined by the claims, and may include other examples that occur to those skilled in the art. Such other examples are intended to be within the scope of the claims if they have structural elements that do not differ from the literal language of the claims, or if they include equivalent structural elements.

[0060] Es sind ein Verfahren und System zur Messung eines Strömungsprofils in einem Abschnitt eines Strömungswegs in einer Turbine geschaffen. Das System enthält eine Massenstromsensoranordnung, die mehrere Hitzdraht-Massenstromsensoren aufweist, wobei die Massenstromsensoranordnung in dem Abschnitt des Strömungswegs an einer Stelle angeordnet ist, an der das Strömungsprofil gemessen werden soll. Das System enthält ferner eine Steuereinrichtung, die Signale von dem Temperatursensor, dem Drucksensor und den mehreren Hitzdraht-Massenstromsensoren in Strömungsprofilmesswerte umwandelt. There is provided a method and system for measuring an airfoil in a portion of a flowpath in a turbine. The system includes a mass flow sensor assembly having a plurality of hot wire mass flow sensors, wherein the mass flow sensor assembly is disposed in the portion of the flow path at a location where the airfoil is to be measured. The system further includes a controller that converts signals from the temperature sensor, the pressure sensor, and the plurality of hot wire mass flow sensors into flow profile measurements.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

[0061] <tb>100<SEP>Turbinensystem <tb>205<SEP>Verdichter <tb>210<SEP>Brennkammer <tb>215<SEP>Turbine <tb>220<SEP>Welle <tb>230<SEP>Abgasleitapparat <tb>235<SEP>Generator <tb>240<SEP>Elektrisches Netz <tb>245<SEP>Entnahmeleitung <tb>250<SEP>Einlassplenumkammer <tb>255<SEP>Einlassplenumkammerströmungsprofilmesssystem <tb>260<SEP>Abgasströmungsprofilmesssystem <tb>265<SEP>Entnähmeströmungsprofilmesssystem <tb>269<SEP>Turbinenauslassströmungsprofilmesssystem <tb>270<SEP>Abgaskanal <tb>275<SEP>Strömungsprofilmesssystem <tb>280<SEP>Massenstromsensoren <tb>285<SEP>Messmodul <tb>290<SEP>Verarbeitungsmodul <tb>295<SEP>Kalibrierungsmodul <tb>300<SEP>Charakterisierungsmodul <tb>310<SEP>Strömungsprofilkalibrierungssystem <tb>315<SEP>thermodynamisches Modellmodul <tb>350<SEP>Rechen <tb>355<SEP>Hitzdraht-Massenstromsensoren <tb>365<SEP>Turbinensteuersystem <tb>370<SEP>Pfeil <tb>375<SEP>Strömungsprofil <tb>376<SEP>Pfeil <tb>420<SEP>Verfahren <tb>435<SEP>Schritt <tb>440<SEP>Schritt <tb>445<SEP>Schritt <tb>460<SEP>Abgaspfad <tb>465<SEP>Pfeil <tb>470<SEP>Pfeil <tb>475<SEP>Abgasströmungsprofil <tb>500<SEP>Verfahren <tb>515<SEP>Schritt <tb>520<SEP>Schritt <tb>525<SEP>Schritt <tb>530<SEP>Schritt <tb>535<SEP>Schritt <tb>540<SEP>Schritt <tb>550<SEP>Druckmessaufnehmer <tb>555<SEP>Hitzdraht-Massenstromsensorgitter <tb>560<SEP>Thermoelement <tb>570<SEP>Pfeil <tb>575<SEP>Pfeil <tb>600<SEP>Verfahren <tb>615<SEP>Schritt <tb>620<SEP>Schritt <tb>625<SEP>Schritt[0061] <Tb> 100 <September> Turbine System <Tb> 205 <September> compressor <Tb> 210 <September> combustion chamber <Tb> 215 <September> Turbine <Tb> 220 <September> wave <Tb> 230 <September> Abgasleitapparat <Tb> 235 <September> Generator <tb> 240 <SEP> Electrical network <Tb> 245 <September> withdrawal line <Tb> 250 <September> inlet plenum <Tb> 255 <September> inlet plenum flow profile measurement system <Tb> 260 <September> exhaust flow profile measurement system <Tb> 265 <September> Entnähmeströmungsprofilmesssystem <Tb> 269 <September> Turbinenauslassströmungsprofilmesssystem <Tb> 270 <September> exhaust duct <Tb> 275 <September> flow profile measurement system <Tb> 280 <September> mass flow sensors <Tb> 285 <September> measuring module <Tb> 290 <September> processing module <Tb> 295 <September> calibration module <Tb> 300 <September> characterization module <Tb> 310 <September> flow profile calibration system <tb> 315 <SEP> thermodynamic model module <Tb> 350 <September> Screens <Tb> 355 <September> hot wire mass flow sensors <Tb> 365 <September> turbine control system <Tb> 370 <September> Arrow <Tb> 375 <September> flow profile <Tb> 376 <September> Arrow <Tb> 420 <September> Process <Tb> 435 <September> Step <Tb> 440 <September> Step <Tb> 445 <September> Step <Tb> 460 <September> exhaust path <Tb> 465 <September> Arrow <Tb> 470 <September> Arrow <Tb> 475 <September> exhaust flow profile <Tb> 500 <September> Process <Tb> 515 <September> Step <Tb> 520 <September> Step <Tb> 525 <September> Step <Tb> 530 <September> Step <Tb> 535 <September> Step <Tb> 540 <September> Step <Tb> 550 <September> pressure transducers <Tb> 555 <September> hot wire mass flow sensor grid <Tb> 560 <September> Thermocouple <Tb> 570 <September> Arrow <Tb> 575 <September> Arrow <Tb> 600 <September> Process <Tb> 615 <September> Step <Tb> 620 <September> Step <Tb> 625 <September> Step

Claims

A system for measuring a gas mass flow in a portion of a flow path in a turbine, comprising: a mass flow sensor assembly comprising a plurality of hot wire mass flow sensors, wherein the mass flow sensor assembly is disposed in the portion of the flow path at a location where a flow profile is to be measured; and a controller that converts signals from the plurality of hot wire mass flow sensors into mass flow readings.

2. The gas mass flow rate measuring system of claim 1, wherein the mass flow sensor assembly comprises a rake and wherein the plurality of hot wire mass flow sensors are distributed on the rake.

3. The gas mass flow measurement system of claim 1, wherein the mass flow sensor assembly comprises a grid on which the plurality of hot wire mass flow sensors are disposed.

4. A gas mass flow measurement system according to claim 1, wherein the airfoil is a mass flow profile.

5. A gas mass flow measurement system according to claim 1, wherein the airfoil is a flow velocity profile.

The system for measuring a gas mass flow according to claim 1, wherein the gas mass flow has an air flow.

7. System for measuring a gas mass flow after. Claim 1, wherein the portion of the flow path comprises a portion of the flow path selected from a group including an inlet plenum chamber, an outlet conduit, and a compressor extraction conduit.

8. A method of measuring an airfoil in a portion of a flowpath of a turbine, the method comprising: Detecting a physical change in a plurality of wires disposed in the portion of the flowpath of the turbine, the physical change being related to a flow characteristic at each of a plurality of locations in the portion of the flowpath; and Converting signals from the plurality of wires to a flow profile measurement.

9. The method of claim 8, wherein the flowpath is a compressor inlet flowpath and the method further comprises: Calculating a mean compressor inlet mass flow from the airfoil measurement; Providing a value for the average compressor inlet mass flow to a controller; and Operating the turbine based on the value for the average compressor inlet mass flow.

10. Turbine having: a compressor; a combustion chamber; a turbine; wherein the compressor, the combustion chamber and the turbine define a flow path; a mass flow sensor assembly disposed in a portion of the flow path, the mass flow sensor assembly including a plurality of hot wire mass flow sensors disposed on the mass flow sensor assembly; and a controller that converts signals from the plurality of hot wire mass flow sensors into airfoil measurements.